[논문]뇌임펄스전압에 대한 SF6와 dry-air의 절연특성

이봉; 유양우; 김동규; 이복희

doi:10.5207/jieie.2010.24.8.142

뇌임펄스전압에 대한 SF6와 dry-air의 절연특성
Dielectric Characteristics of SF6 and Dry-Air Gases under Lightning Impulse Voltage 원문보기

照明·電氣設備學會論文誌 = Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, v.24 no.8, 2010년, pp.142 - 149

이봉 (인하대학교 대학원 전기공학과) , 유양우 (인하대학교 대학원 전기공학과) , 김동규 (인하대학교 대학원 전기공학과) , 이복희 (인하대학교 전자.전기공학과)

초록
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본 논문은 준평등전계에서 뇌임펄스전압에 대한 $SF_6$와 dry-air의 절연파괴 특성에 대하여 기술하였다. 준평등전계로 사용된 구-평판전극계의 전계이용률은 71[%]이다. $SF_6$는 0.1~0.2[MPa] 범위에서, dry-air는 0.2~0.6[MPa]에서 $SF_6$와 dry-air의 절연파괴전압을 임펄스전압의 극성과 가스압력에 따라 측정 분석하였다. 그 결과 뇌임펄스전압에 대한 두 가스의 절연파괴전압은 정극성이 부극성보다 높았으며, $SF_6$의 절연파괴전압이 dry-air의 절연파괴전압보다 약 2.67배정도 높았다. 본 연구결과는 뇌서지에 대하여 우수한 성능을 가지는 배전기기에서 $SF_6$의 대체가스 성능 평가에 유용한 정보가 될 것이다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper describes dielectric characteristics of $SF_6$ and dry-air gases under lightning impulse voltages in a quasi-uniform electric field. In order to simulate to a quasi-uniform electric field, electric field utilization factor of the used sphere-plane electrode is 71[%]. The gas pressure of $SF_6$ ranges from 0.1 to 0.2[MPa] and that of dry-air ranges from 0.2 to 0.6[MPa]. Electrical breakdown voltages of $SF_6$ and dry-air gases are measured and analyzed as functions of the polarity of lightning impulse voltage and gas pressure. As a result, the electrical breakdown voltage of both gases under the positive lightning impulse voltage is higher than that under the negative one. The electrical breakdown voltage in $SF_6$ is almost higher than 2.67 times compared to dry-air. The results presented in this paper can be used as a useful information to evaluate the capability of alternative insulation gases for $SF_6$ in power distribution equipment with prominent ability against lightning surge.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

뇌임펄스전압이 인가된 경우, 절연파괴가 반드시 인가전압의 피크 값 또는 피크값의 부근에서만 일어나는 것이 아니다. 따라서 본 연구에서는 한국공업규격 및 국제전기위원회 규격(IEC-60.2)에 의거하여 절연파괴 되기까지 인가된 전압의 피크값과 절연파괴까지의 시간을 취하는 방법으로 SF₆와 dry-air의 V-t특성을 평가하였다[13].
본 논문에서는 고품질의 배전급 친환경전력기기의 절연설계를 위하여 준평등전계에서 가스절연기기의 운전 중에 발생할 수 있는 뇌서지 전압에 대한 SF6와 dry-air의 절연파괴특성과 전구방전진전과정을 비교하기 위하여 절연파괴전압, 전구방전전류를 측정 · 분석하여 배전용 전력기기의 절연설계에 참고로 사용될 임펄스절연파괴에 대한 기초 특성에 대하여 기술하였다.

제안 방법

인가전압의 측정에는 분압기를 사용하였고, 전구방전전류는 50[Ω] 분류기로 측정하였으며, 분류기의 출력단에 20 : 1 감쇠기를 연결하여 전류를 검출하였다. 또한 전구방전에서 절연파괴에 이르기까지 발생되는 전구방전과정동안 발생하는 방전광은 광전자증배관을 이용하여 관측하였다. 측정된 인가전압, 전구방전전류, 광 신호를 오실로스코프(band width: 500[MHz], sampling rate: 2.
배전 기기의 절연에 사용될 dry-air의 뇌임펄스절연파괴에 대한 기초 특성을 얻을 목적으로 준평등전계에서 뇌임펄스전압에 대한 SF6와 dry-air의 절연파괴전압 특성을 비교·분석한 실험결과, 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구에서는 SF₆의 압력 0.15[MPa]에서 절연파괴전압이 150[kV]이상이 되도록 전극계를 구성하여 SF₆와 dry-air에 대한 절연내력실험을 수행하였다. 정 · 부극성의 뇌임펄스전압을 SF₆와 dry-air에 각각 인가하여 측정한 절연파괴전압과 전구방전전류, 방전광 신호의 대표적 파형을 그림 3에 나타내었다.
유회전 펌프로 실험 용기를 수 mTorr까지 배기시킨 다음, 고순도 SF₆혹은 dry-air를 주입하였으며, SF₆의 경우, 챔버 내의 가스압력을 0.1～0.2[MPa]범위에서, dry-air의 경우, 가스압력을 0.2～0.6[MPa]범위에서 단계적으로 증가시켜 가면서 실험하였다. 정 · 부극성의 임펄스전압은 실험용기의 부싱을 통해 구 전극에 인가하였다.
실험용기는 내경 396[mm]인 스테인레스강을 이용하여 원통형으로 제작하였으며, 내부에 설치한 전극에 시험전압을 인가하기 위하여 66[kV](BIL 350[kV])용 콘덴서형 부싱이 설치되어 있다. 인가전압은 병렬충전식 4단 임펄스발생장치를 이용하여 표준 뇌임펄스전압(1.2/50[㎲])을 발생시켜 사용하였다.
인가전압의 측정에는 분압기를 사용하였고, 전구방전전류는 50[Ω] 분류기로 측정하였으며, 분류기의 출력단에 20 : 1 감쇠기를 연결하여 전류를 검출하였다. 또한 전구방전에서 절연파괴에 이르기까지 발생되는 전구방전과정동안 발생하는 방전광은 광전자증배관을 이용하여 관측하였다.
준평등전계를 모의하여 실험용기의 하부에 구-평판전극을 제작하여 설치하였으며, 구-평판전극의 절연파괴전압은 분압비가 10,000 : 1인 분압기로, 전구방전전류는 전극하부에 설치된 분류기를 이용하여 오실로스코프로 관측하였다. 계측용 전원은 절연변압기와 필터를 경유하여 공급하고, 노이즈를 차단하기 위해서 오실로스코프와 광전자증배관은 차폐함 내부에 설치하였다.
준평등전계에서 순수 SF6와 dry-air의 뇌임펄스전압에 대한 절연 특성을 비교 · 분석하기 위하여 그림 1과 같은 실험 장치와 측정시스템을 구성하였다.
또한 전구방전에서 절연파괴에 이르기까지 발생되는 전구방전과정동안 발생하는 방전광은 광전자증배관을 이용하여 관측하였다. 측정된 인가전압, 전구방전전류, 광 신호를 오실로스코프(band width: 500[MHz], sampling rate: 2.5[GS/s])를 통해 동시에 관측하였다.
본 실험에 사용된 구-평판전극의 전계이용률은 71[%]이다. 평판 전극 하단에 전구방전전류를 측정하기 위한 분류기를 설치하였다.

대상 데이터

실험용기는 내경 396[mm]인 스테인레스강을 이용하여 원통형으로 제작하였으며, 내부에 설치한 전극에 시험전압을 인가하기 위하여 66[kV](BIL 350[kV])용 콘덴서형 부싱이 설치되어 있다. 인가전압은 병렬충전식 4단 임펄스발생장치를 이용하여 표준 뇌임펄스전압(1.

성능/효과

(1) 준평등전계에서 dry-air의 절연파괴는 주로 스트리머방전에 의하여 일어났으며, 초기 전자방출이 쉽게 발생하는 부극성이 정극성보다 절연파괴전압이 낮게 나타났다.
(2) 준평등전계에서 가스압력이 증가함에 따라 dry-air의 절연파괴전압은 증가하였으며, 정극성과 부극성의 절연파괴전압차이도 점차 커졌다.
(3) 뇌임펄스전압을 SF₆와 dry-air에 각각 인가하였을 때 SF₆는 압력이 0.15[MPa] 이상부터 부극성에서 절연파괴전압이 150[kV]이상이였으며, dry-air는 압력이 0.4[MPa] 이상부터 부극성에서 절연파괴전압이 150[kV]이상 임을 확인하였다.
(4) SF₆와 dry-air의 절연파괴전압은 가스압력의 평방근에 비례하였다.
(5) 인가전압의 지속시간이 길수록 절연파괴전압이 낮아지는 V-t특성을 나타내었다. dry-air에서의 V-t 곡선은 SF₆에서의 V-t곡선보다 상대적으로 완만하게 낮아졌으며 절연파괴까지의 시간도 dry-air가 SF₆보다 짧았다.
준평등전계에서 임펄스전압에 대한 dry-air의 V-t 특성을 그림 7에 나타내었다. 그림 7 (a)에서와 같이 정극성 임펄스전압을 구-평판전극에 인가할 경우, 절연파괴가 일어나기까지의 시간이 길어짐에 따라 절연파괴전압이 점차 감소하며, 0.3[MPa] 압력 이상에서 가스압 0.1[MPa]인 SF₆의 V-t특성의 절연레벨에 도달하는 것으로 나타났다. 절연파괴전압시간이 길어짐에 따라 dry-air에서의 V-t곡선은 SF₆에서의 V-t곡선보다 상대적으로 완만하게 낮아지는 동시에 절연파괴시간도 dry-air가 SF₆보다 짧게 나타났다.
4[MPa] 이상에서는 임계절연파괴전압이 일어나는 시간이 짧아졌다. 그림 7 (b)에서와 같이 부극성 임펄스전압을 구-평판전극에 인가할 경우, 절연파괴시간이 길어짐에 따라 절연파괴전압이 점차 감소하며, dry-air에서의 V-t곡선은 SF₆에서의 V-t곡선보다 상대적으로 완만하게 낮아졌다. 이러한 특성은 동일한 조건에서 SF₆가 dry-air보다 전자부착성이 높기 때문에 SF₆의 절연파괴지연시간이 dry-air의 절연파괴지연시간보다 길게 나타난 것으로 판단된다.
와 dry-air의 압력에 따른 절연파괴전압 특성을 그림 4에 나타내었다. 가스압력이 증가함에 따라 절연파괴전압이 증가하였으며, 압력이 낮은 경우, 극성에 대한 절연파괴전압의 차이는 거의 없지만 압력이 증가함에 따라 극성에 대한 절연파괴전압의 차이가 점차 크게 나타났다. SF₆는 압력이 0.
결과적으로 14[mm]인 짧은 갭간격을 가지는 구-평판전극, 즉 갭간격이 짧은 준평등전극계에서는 절연파괴가 주로 스트리머에 의하여 일어나며, 정극성이 부극성보다 절연파괴전압이 높았다. 구-평판전극으로 이루어진 준평등전계 내에서 구전극으로부터 평판전극쪽으로 진행하는 정극성 스트리머는 다음과 같이 설명할 수 있다.
여러 연구자에 의한 실험결과를 종합하여 볼 때 부극성의 뇌 임펄스 절연파괴전압은 가스 압력의 평방근에 비례하여 절연파괴전압 V는 가스압력 p의 함수로서 표현된다[6,10].
1[MPa]인 SF₆의 V-t특성의 절연레벨에 도달하는 것으로 나타났다. 절연파괴전압시간이 길어짐에 따라 dry-air에서의 V-t곡선은 SF₆에서의 V-t곡선보다 상대적으로 완만하게 낮아지는 동시에 절연파괴시간도 dry-air가 SF₆보다 짧게 나타났다. 또한 0.
그림 6 (a)에 정극성 임펄스전압에 대한 SF₆의 V-t특성을 나타냈으며, 그림 6 (b)에 정극성 임펄스전압에 대한 SF₆의 V-t특성을 나타내었다. 정극성의 경우가 부극성의 경우보다 압력의존성이 크게 나타났으며, 동일한 조건에서 정극성이 부극성보다 절연파괴까지의 시간지연도 더 길게 나타났다. 이러한 차이는 주로 초기전자의 발생메커니즘과 전구방전의 진전양상의 차이 때문인 것으로 분석된다.

후속연구

4[MPa] 이상으로 할 경우, 현재, 배전용 가스개폐장치에 사용되고 있는 SF₆가스의 절연내력에 도달할 수 있다. 따라서 배전용 전력기기에서 친환경적인 면과 비용절감을 고려하여 SF₆의 대체가스로 dry-air를 사용할 수 있음을 실험을 통하여 확인하였으며, 본 연구에서 얻은 데이터는 친환경적인 배전용 전력기기의 개발 및 설계에 유용한 정보가 될 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	SF6가스의 특징은 무엇인가?	차단기나 단로기 같은 개폐차단장치의 절연매질로 소호능력이 우수한 SF6가스를 주로 사용하고 있다. 하지만 SF6가스의 지구 온난화계수(Global Warming Potential)는 이산화탄소(CO2)의 약 23,900배로서, 1997년에 채택된 국제연합 규약 교토의정서에서 규제 대상의 기체로 지정되었다.
	SF6를 포함한 혼합가스의 결점은 무엇인가?	그 이유는 N2가스는 가격이 싸며, 공기 중에 많이 존재하고 있기 때문이다. 하지만 SF6를 포함한 혼합가스의 결점은 비싼 분리회수 비용이다. 최근 SF6의 사용량 및 방출량을 감소하기 위하여 선진국에서는 84[kV]미만의 배전급 GIS에 대하여 건조공기(dry-air)와 질소(N2) 등 친환경가스를 SF6의 대체가스로 사용하고 있다.
	배전용 전력기기에서 절연매질로 이용하는 SF6를 대체하기 위해 SF6/N2 혼합가스가 고려되는 이유는 무엇인가?	SF6/N2 혼합가스도 SF6의 대체가스로 고려됨에 따라 SF6/N2 혼합가스에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 그 이유는 N2가스는 가격이 싸며, 공기 중에 많이 존재하고 있기 때문이다. 하지만 SF6를 포함한 혼합가스의 결점은 비싼 분리회수 비용이다.

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이복희, 이경옥, 이창준, “가스절연개폐장치에 있어서 금속입자 존재시 임펄스전압에 대한 $SF_6$ 가스의 절연특성”, 조명전기설비학회 논문지, Vol. 14, No. 1, pp.22-29, 2000.
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